CN111593287A - 一种超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，包括步骤：S1，制备纳米Al2O3陶瓷粉末，其中，所述陶瓷粉末粒径为5～22μm，其纯度不低于99％；S2,准备NiCrA粉末作为过渡层材料，其中，所述NiCrA粉末粒径为15～45μm，其纯度不低于99％；S3，将所述陶瓷粉末及所述过渡层材料进行烘干；S4，在陶瓷型芯表面采用超声速火焰喷涂所述过渡层材料作为粘接层；S5，在粘接层表面采用超声速等离子喷涂所述陶瓷粉末。本发明制备的氧化铝涂层具有更高的致密性、更高的硬度、更好的结合强度以及耐磨、耐高温等，综合性能优异。

Description

一种超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法
技术领域
本发明涉及涂层制备技术领域，更具体的是涉及一种超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法。
背景技术
《陶瓷型芯氧化铝涂层制备技术研究》的提出是基于国家航空发动机和燃气轮机涡轮叶片定向凝固精密铸造对高性能陶瓷型芯的迫切需要。
基于双组分陶瓷型芯开发思路，研究在氧化硅基体上生成氧化铝耐高温层的涂层制备技术，探索以氧化硅为基体、氧化铝为表面耐高温层的空心涡轮叶片定向凝固用的双组分陶芯制备工艺，解决现有氧化硅基陶芯高温强度不足、易与合金液发生化学反应的不足，以及氧化铝基陶芯脱芯困难的问题。
目前，氧化铝涂层采用大气等离子或低压等离子喷涂技术制备，前者制备的涂层孔隙率高，影响涂层耐磨、耐腐蚀、电绝缘等多项性能；后者制备成本高，生产效率较低。另外，传统的陶瓷材料具有脆性大、韧性差等缺点，很容易被高速颗粒冲击产生裂纹，发生脆性断裂失效。
发明内容
本发明的目的是在于解决上述的技术问题。
针对上述技术问题,本发明提出了一种超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，包括步骤：
S1，制备纳米Al2O3陶瓷粉末，其中，所述陶瓷粉末粒径为5～22μm，其纯度不低于99％；
S2,准备NiCrA粉末作为过渡层材料，其中，所述NiCrA粉末粒径为15～45μm，其纯度不低于99％；
S3，将所述陶瓷粉末及所述过渡层材料进行烘干；
S4，在陶瓷型芯表面采用超声速火焰喷涂所述过渡层材料作为粘接层；
S5，在粘接层表面采用超声速等离子喷涂所述陶瓷粉末。
优选的，所述步骤S3中，将所述陶瓷粉末及所述过渡层材料进行烘干的过程包括：
使用恒温干燥箱在将温度设置在75-85℃烘干90-150分钟。
优选的，所述步骤S4之前，还包括步骤S3.5:
对陶瓷型芯待喷涂表面进行清洗、粗化处理、并在之后清除待喷涂表面可能吸附的砂粒。
优选的，所述步骤S3.5中，对待喷涂表面进行粗化处理是采用16号锆刚玉进行喷砂粗化处理。
优选的，所述步骤S3.5中，喷砂压力为0.3-0.5MPa，喷砂距离为100-300mm，喷砂机喷嘴轴向方向与所述待喷涂表面保持60-90°夹角。
优选的，所述步骤S1中，所述纳米Al2O3陶瓷粉末包括有金红石型TiO2粉末。
优选的，所述纳米Al2O3陶瓷粉末中Al2O3的占比为87％，TiO2的占比为13％。
优选的，所述步骤S4中，还包括：
对所述陶瓷型芯基体预热至温度80℃。
优选的，所述步骤S4中，超声速等离子喷涂陶瓷粉末的工艺参数为：
送粉量为50-100g·min－1，电功率为50-180KW，工作气体的压力1.4-4.2MPa，送粉气体的压力为工作气体压力的1/5～1/3，喷涂距离为120-260mm，每次喷涂的涂层厚度低于0.25mm。
优选的，所述步骤S1中，所述纳米Al2O3陶瓷粉末采用沉淀法制备。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1.用于在氧化硅基单晶涡轮叶片型芯表面制备氧化铝涂层，实现型芯在(1580±10)℃的金属液内2小时，不与Hf、Al、C元素发生化学反应，铸件内型面(与型芯接触的表面)粗糙度不大于Ra2.4。
2.涂层厚度可控，涂层无龟裂和剥离现象。
3.涂层工艺不降低硅基型芯原有的脱芯性能，确保铸件可在常规硅基脱芯工艺和设备中实现脱净，脱芯时间不超过24h。
附图说明
图1为本发明实施例中氧化铝涂层的制备方法流程图。
图2为本发明实施例中等离子喷涂原理图。
图3为本发明实施例中涂层结构示意图。
图4为本发明一种氧化铝涂层制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，包括步骤：
S1，制备纳米Al2O3陶瓷粉末，其中，所述陶瓷粉末粒径为5～22μm，其纯度不低于99％；
S2,准备NiCrA粉末作为过渡层材料，其中，所述NiCrA粉末粒径为15～45μm，其纯度不低于99％；
S3，将所述陶瓷粉末及所述过渡层材料进行烘干；
S4，在陶瓷型芯表面采用超声速火焰喷涂所述过渡层材料作为粘接层；
S5，在粘接层表面采用超声速等离子喷涂所述陶瓷粉末。
如图2所示为超声速等离子喷涂原理图，喷涂粉末1和工作气体2分别从喷枪的两个入口进入，在喷枪内设有阴极3和阳极4形成电离，在喷枪口输出等离子射流，在陶瓷型芯基体6上形成氧化铝涂层7。超声速等离子喷涂技术是在普通等离子喷涂技术基础上，通过对喷枪结构的设计，使得喷涂粒子在等离子射流中的飞行速度可达400～800m/s。同时等离子射流提供足够的热焓，可实现高熔点材料(例如氧化物，碳化物，硼化物)的熔化，且射流中心和边缘的喷涂粒子速度、温度梯度特别低。因此，超声速等离子喷涂制备的氧化铝涂层具有更高的致密性、更高的硬度、更好的结合强度以及耐磨、耐高温等，综合性能优异。
参考图1及图4，在本实施例中，所述步骤S1中，纳米Al2O3陶瓷粉末的成分包括：87％Al2O3和17％TiO2。当然，纳米Al2O3陶瓷粉末中还包括一些微量元素如ZrO2，CeO2。本实施例中，如图4所示，制备纳米Al2O3粉末的方法为沉淀法，利用Al(NO3)3溶液加上(NH4)2CO3沉淀剂通过过滤、洗涤、干燥以及煅烧等步骤获得。然后加入TiO2、ZrO2、CeO2搅拌均匀其中，ZrO2、CeO2属于微量元素，Al2O3和TiO2的纯度不低于99％。由于TiO2的熔点比Al2O3低，而润湿性比Al2O3好，TiO2陶瓷涂层具有非常低的孔隙率，耐磨性能好，不易发生化学反应，涂层韧性好，容易加工，可磨削到很高的表面光洁度，耐大多数酸、盐及溶剂的腐蚀，是重要的耐腐蚀磨损涂层，特别适合钛及钛合金、铝及镁合金喷涂高耐磨涂层的性能。
结合图4所示，在本实施例中，所述步骤S1和所述步骤S2可以同时进行，也可以先后进行，步骤S1和步骤S2用于分别制备涂层材料及粘接层材料。
在本实施例中，所述步骤S2中，NiCrAl合金粉末是一种具有自粘结功能的耐热合金粉末，在100～800℃温度范围内，其热膨胀系数为13.5～20.0×10-6K-1，介于金属材料和陶瓷材料之间，可作为各种陶瓷涂层系统的的自粘结过渡层材料。本实施例选用NiCrAl(成分：Ni：74％，Cr：5％，Al：8％)自熔性合金粉末作为涂层系统的过渡层材料(粘接层)。
在本实施例中，所述步骤S3中，将所述陶瓷粉末及所述过渡层材料进行烘干的过程包括：
使用恒温干燥箱在将温度设置在75-85℃烘干90-150分钟。本实施例以在恒温干燥箱中以80℃烘干120分钟进行说明。
在本实施例中，如图4所示，所述步骤S4之前，还包括步骤S3.5:
对陶瓷型芯待喷涂表面进行清洗、粗化处理、并在之后清除待喷涂表面可能吸附的砂粒。
具体的，所述步骤S3.5中，对待喷涂表面进行粗化处理是采用16号锆刚玉进行喷砂粗化处理。
具体的，所述步骤S3.5中，喷砂压力为0.3-0.5MPa，喷砂距离为100-300mm，喷砂机喷嘴轴向方向与所述待喷涂表面保持60-90°夹角。
在本实施例中，所述步骤S4中，还包括：
对所述陶瓷型芯基体预热至温度80℃。
在本实施例中，所述步骤S4中，超声速等离子喷涂陶瓷粉末的工艺参数为：
送粉量为50-100g·min－1，电功率为50-180KW，工作气体的压力1.4-4.2MPa，送粉气体的压力为工作气体压力的1/5～1/3，喷涂距离为120-260mm，每次喷涂的涂层厚度低于0.25mm。
如图3所示，通过上述方法，在陶瓷型芯基体6上形成了粘接层8和氧化铝涂层7。
本实施例以双组分陶瓷型芯开发思路，研究在氧化硅基体上生成氧化铝耐高温层的涂层制备技术，以氧化硅为基体、氧化铝为表面耐高温层的空心涡轮叶片定向凝固用的双组分陶芯制备工艺，解决现有氧化硅基陶芯高温强度不足、易与合金液发生化学反应的不足，以及氧化铝基陶芯脱芯困难的问题。
上述实施例仅用于说明本发明的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，包括步骤：
S1，制备纳米Al2O3陶瓷粉末，其中，所述陶瓷粉末粒径为5～22μm，其纯度不低于99％；
S2,准备NiCrA粉末作为过渡层材料，其中，所述NiCrA粉末粒径为15～45μm，其纯度不低于99％；
S3，将所述陶瓷粉末及所述过渡层材料进行烘干；
S4，在陶瓷型芯表面采用超声速火焰喷涂所述过渡层材料作为粘接层；
S5，在粘接层表面采用超声速等离子喷涂所述陶瓷粉末。
2.按照权利要求1所述的超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，所述步骤S3中，将所述陶瓷粉末及所述过渡层材料进行烘干的过程包括：
使用恒温干燥箱在将温度设置在75-85℃烘干90-150分钟。
3.按照权利要求1所述的超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，所述步骤S4之前，还包括步骤S3.5:
对陶瓷型芯待喷涂表面进行清洗、粗化处理、并在之后清除待喷涂表面可能吸附的砂粒。
4.按照权利要求3所述的超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，所述步骤S3.5中，对待喷涂表面进行粗化处理是采用16号锆刚玉进行喷砂粗化处理。
5.按照权利要求4所述的超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，所述步骤S3.5中，喷砂压力为0.3-0.5MPa，喷砂距离为100-300mm，喷砂机喷嘴轴向方向与所述待喷涂表面保持60-90°夹角。
6.按照权利要求1所述的超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述纳米Al2O3陶瓷粉末包括有金红石型TiO2粉末。
7.按照权利要求6所述的超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，所述纳米Al2O3陶瓷粉末中Al2O3的占比为87％，TiO2的占比为13％。
8.按照权利要求1所述的超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，所述步骤S4中，还包括：
对所述陶瓷型芯基体预热至温度80℃。
9.按照权利要求1所述的超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，所述步骤S4中，超声速等离子喷涂陶瓷粉末的工艺参数为：
送粉量为50-100g·min－1，电功率为50-180KW，工作气体的压力1.4-4.2MPa，送粉气体的压力为工作气体压力的1/5～1/3，喷涂距离为120-260mm，每次喷涂的涂层厚度低于0.25mm。
10.按照权利要求1所述的超声速等离子喷涂形成陶瓷型芯氧化铝涂层的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述纳米Al2O3陶瓷粉末采用沉淀法制备。
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